新技术助力能源更清洁更低碳北京大兴国际氢能示范区加氢

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北京大兴国际氢能示范区加氢示范站。贺路启摄(人民视觉)

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国家能源集团宁夏煤业有限公司400万吨煤制油项目深加工产品芳纶。新华社采访人员王鹏摄

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西藏自治区日喀则市江当现代生态产业示范园内的“光伏储能”电站。新华社采访人员刘洪明摄
碳中和，是指人类活动排放的二氧化碳被人为作用和自然过程所吸收。研究显示，当前全球每年排放约400亿吨二氧化碳，其中14%来自土地利用， 86%源于化石燃料利用。这意味着，实现碳中和，必须变革以化石能源为主导的能源体系，构建以风、光、水、核等为主体的非碳能源新结构。
碳中和硬约束下，并非摒弃化石能源。为降低化石能源使用过程中的碳排放，科研人员正在探索清洁化利用技术。同时，在交通、工业等领域，研究用氢能、电能等替代化石能源，多管齐下，支撑减排降碳。
化石能源清洁利用
既获得化学品，又尽量少排放二氧化碳
据统计，我国一次能源消费中，非碳能源只占15% ，另外85%主要是煤、油、气。其中，煤炭在一次能源消费中占比接近60% 。
近年来，煤炭占我国一次能源消费的比重持续下降，但未来一段时间内，煤炭在能源结构中依旧重要。在此情况下，有必要研究煤炭清洁利用，减少二氧化碳排放，煤化工被认为是一条路径。
中科院院士、中国科技大学校长包信和介绍，现阶段，我国煤炭有两种主流利用方式，一是大量作为能源，直接燃烧发电；二是作为原料，通过煤化工等手段，制备化学品。我国对化学品需求量很大，又不可能像国外一样，完全依赖石油化工来生产，因此，利用煤炭转化制备化学品比较现实、可靠。
以煤为原料制备化学品，离不开碳、氢、氧三个元素的反应变换。因此，煤的结构及反应过程，决定其燃烧一定会产生二氧化碳。据测算，燃烧1吨煤大约排放3吨二氧化碳，且煤化工项目往往又是用水大户，煤气化、合成及后续产品纯化、分离等环节，均离不开水。
有没有一种方法，既能实现煤转化的目的，又不用排放大量二氧化碳？朝着这个方向，科学家正在探索新的化学反应方式。
包信和解释，石油化工通过催化、蒸馏、裂解等方式，把大分子变成小分子，从而得到烯烃、芳烃等产品。这一过程就不需要很多水，也不会过多排放二氧化碳，即可将油分子“吃干榨净” 。从分子式结构来看，煤和油的差别不大，区别主要在反应过程。如果能换一种方式实现煤转化，即将煤中的大分子像石油炼制一样直接“剪开” ，也可以在少用水、少排放碳的同时，拿到所需的产品。
化石能源对一个国家来说，是珍贵的资源，但直接燃烧，二氧化碳的排放量比较大。科学家正在努力，把化石能源更多当原材料来利用，从而加工成产品。
比如， “吃干榨净”石油，科研人员创新了比较精准的炼油方法，一些“分子炼油”技术大大提高了石油资源的利用效率。有专家设想，未来80%的原油可以变成烯烃、芳烃，进而生产合成塑料、橡胶、纤维等材料，作为工业生产化学原料，减少石油的直接燃烧。
推动氢能规模应用
研究高效、便利、低成本获取“绿氢”的途径
“精准剪接”煤分子，完成煤炭清洁利用，实现这一构想离不开先进、高效的催化剂，同时还要摒弃传统的氧助气化过程，有“绿氢”的帮助才能做到。
氢气在自然界不存在，需要人工获取，还要储存、转换和应用。所谓“绿氢” ，是指通过风能、光能等可再生能源发电，再用清洁的电力分解水制备出的氢气。这被认为是未来获取氢能的主要方式。但电解水制氢的成本比较高，全球每年消耗的5000万吨左右氢气中，仅有4%来自电解水，而且所用电能也非全部来自可再生能源。大多数氢气来自化石能源，其中又以煤制氢价格最便宜。但以煤制氢，又免不了排放二氧化碳。
科研人员正在开发高效、便利、低成本获取“绿氢”的途径。比如，发展大规模、低能耗、高稳定性的电解水制氢新技术，通过材料和过程的创新降低能耗和成本等。专家认为，如果人们能够比较经济地获得“绿氢” ，未来就能形成一条比较完善的氢能产业链，推动氢能在各个行业的应用，最终甚至会形成一套独立于石油天然气和电力的新体系。